Zuverlässig abdichten

Dipl.-Ing. Volker Etzel

Es gibt verschiedene Materialkonzepte für elastomerbeschichtete Metallsickendichtungen. Allen ist gemeinsam, dass ein reines Elastomer, auf einen Metallträger aufgetragen und schließlich beim Stanzen der Dichtung eine Dichtsicke zur Erzeugung einer Linienpressung eingeprägt wird. Stand der Technik ist das porenfreie Aufbringen des Elastomers auf einen Metallträger, seltener sind Materialien mit geschäumtem Elastomerauftrag. MatriCS (Matrix Coated Steel) von Reinz besteht aus einem Stahlblech – MatriCS plus aus einem Edelstahlblech – auf das ein faserverstärktes Elastomer beidseitig aufgetragen ist (Abb. 1). Die Dichtungsdicke ohne Sicke beträgt im nicht verbauten Zustand 0,5 mm. Die besonderen Eigenschaften des MatriCS-Dichtungskonzeptes resultieren aus dem Materialaufbau. Er verbindet die Vorteile von Weichstoffdichtungen auf Faserbasis mit den Vorteilen von Stahl.

Die anpassungsfähige Beschichtung von MatriCS-Dichtungen zeichnet sich im Gegensatz zu reinen Elastomerbeschichtungen durch eine relativ hohe Kompressibilität und ein hohes Rückstellvermögen aus. Ein weiterer Vorteil ist das Dämpfungsverhalten der faserverstärkten Elastomerschicht. Durch die schwingungsdämpfenden Eigenschaften können sehr starke dynamische Vorgänge sicher abgedämpft werden. Bei Sickendichtungen mit reiner Elastomerbeschichtung können diese Vorgänge Sickenbrüche verursachen. MatriCS und MatriCS plus sind mit einer Antihaftschicht versehen, die einen niedrigen Reibwert besitzt. Dies erleichtert die Demontage und ermöglicht Bauteil-Relativbewegungen ohne Zerstörung der Beschichtung.

Die Temperatureinsatzgrenzen von Sickendichtungen werden durch das Elastomer bestimmt. Die Betriebstemperatur von NBR-Beschichtungen liegt deutlich höher als die von massiven NBR-Flachdichtungen (100-120 °C), da das NBR-Elastomer in den Rauheiten der Bauteiloberflächen gekammert ist und somit keine Angriffsfläche für Luft oder andere versprödend wirkende Medien bietet, die Schichtdicke im Vergleich zu Voll-Gummi-Dichtungen gering ist und die NBR-Beschichtung relativ hohe Anteile von thermisch stabilen Füllstoffen enthält. MatriCS und MatriCS plus besitzen eine speziell ausgelegte Rezeptur, die Dauerbetriebstemperaturen von bis zu 220 °C zulässt, kurzzeitig sogar bis 300 °C. Das Warmverformungsverhalten im Vergleich zu konventionellen Sickendichtungen mit 60 µm NBR-Beschichtung ist in Abbildung 2 dargestellt. Bei dieser Messung wird pro Flächenpressung ein Prüfring unter konstanter Last bei steigenden Temperaturstufen je 20 min belastet. Im höheren Pressungs- und Temperaturbereich ist die Verformung von MatriCS wesentlich geringer als die von herkömmlichen Sickendichtungs-Beschichtungen. Allgemein ist festzustellen, dass die Verformung von MatriCS bei allen Pressungen im gesamten Temperaturbereich bis 300 °C in etwa linear ansteigt, während die Reinelastomer-Beschichtung ab 200 °C wegfließt.

Ein Vergleich der Druckstandfestigkeitswerte nach DIN 52913 von üblichen FA-Weichstoffmaterialien derselben Dicke (0,5 mm) mit MatriCS und MatriCS plus (z. B. bei 16 h, 300 °C, Anfangsflächenpressung = 50 N/mm²) zeigt, dass die Druckstandfestigkeit üblicher FA-Materialien (38-44 N/mm) deutlich unter der von MatriCS und MatriCS plus (47-49 N/mm) liegt. Auch dies weist auf das geringe Setzverhalten der faserverstärkten Beschichtung hin, mit der eine nachzugsfreie, zuverlässige Dichtverbindung ermöglicht wird.

Die Medienbeständigkeit wird vor allem vom Primer – dem Haftvermittler zwischen Metall und Elastomerschicht – und vom Elastomer selbst bestimmt und ist für einen weiten Bereich von Medien sehr gut. Sie ist grob vergleichbar mit der Beständigkeit von bekannten Universal-Weichstoffmaterialien auf Faserbasis. Die Beständigkeit der Beschichtungen gegen entsprechende Medien kann beim Materialhersteller auch kundenspezifisch ermittelt werden. MatriCS plus, die Variante mit Edelstahlblech, ist sehr korrosionsbeständig und kann auch im Lebensmittel- und Trinkwasserbereich eingesetzt werden, die KTW-Freigabe liegt vor.

Abbildung 3 stellt die Vorteile der Abdichtung mit gesickten, elastomerbeschichteten Dichtungen im Vergleich zu FA-Dichtungen jeweils anhand eines Bauteilausschnitts dar. Bei FA-Dichtungen kann es in manchen Anwendungsfällen vorkommen, dass die Dichtwirkung vor allem zwischen den Schrauben der Dichtverbindung nur begrenzt vorhanden ist. Dies rührt daher, dass bei Stellen mit ungenügender Flächenpressung zum einen die Hohlräume der FA-Dichtung nicht ausreichend verpresst werden können, und zum anderen die Oberflächenanpassung nicht ausreichend ist. Somit können sich Leckkanäle bilden.

Metallsickendichtungen besitzen nach dem Einbau dagegen an allen Stellen der Dichtverbindung eine rückfedernde Mehrfachdichtlinie, die sich nach Verschrauben der Bauteile den Unebenheiten optimal anpasst und den Dichtspalt durch gezielte Erzeugung von Linienpressung zuverlässig abdichtet. Die Bauteiloberflächenrauigkeiten werden durch die faserverstärkte Elastomerbeschichtung optimal aufgefüllt und damit abgedichtet. Bei Entlastung der Bauteile durch Innendruck besitzen die Sicken durch ihre Federwirkung ein hohes Rückstellvermögen, zusätzlich zur Rückfederung der faserverstärkten Schicht. Dies trifft insbesondere für MatriCS plus zu, mit der auch dynamische Prozesse wie Innendruckschwankungen, Schwingungen und Druckstöße sicher beherrscht werden.

Durch den gezielten Einsatz von Halbsicken (HS) und Vollsicken (VS) und in speziellen Fällen durch stufenlose Kombination von mehreren Sickensteifigkeiten lassen sich auch problematische Dichtfälle zuverlässig beherrschen. Die Dichtheit von MatriCS wurde mit einer Apparatur zur Ermittlung der Heliumdichtheit in Abhängigkeit der Linienpressung ermittelt. Übliche und im folgenden zugrundegelegte Vergleichsprüfbedingungen sind ein Helium-Differenzdruck von 1,1 bar, eine Rauigkeit Rz der Flansche von 8 µm und Messung bei Raumtemperatur. Abbildung 4 stellt am Beispiel von MatriCS plus Ergebnisse der Dichtwirkung einer Vollsicke gegenüber einer vergleichbaren Halbsicke dar. Die Dichtheit von Metallsickendichtungen mit faserverstärkter Schicht liegt generell bei 10-4 bis 10-9 mbarl/(sm) Leckrate. Hierbei ist mit einer Vollsicke bei steigenden Linienpressungen eine etwas höhere Dichtheit erreichbar als mit einer weniger steifen Halbsicke.

MatriCS und MatriCS plus werden in Dichtstellen eingesetzt, die hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen unterliegen wie Motoren, Getriebe, Pumpen, Ansaugkrümmer, Ölwannen, Ventildeckel, Achsverbindungsstellen, Hydraulikaggregate, Gehäuse, Kompressoren und Armaturen.

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